Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Автореферат
Информатика как наука
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 2
Введение
Информатика - наука об информации и технических средствах ее сбора, хранения, обработки, передачи.
Кратко можно сказать, что информатика = информация + автоматика.
Термин информатика был предложен французскими учеными, в США эту науку называют computer since.
Информатика молодая наука, ей нет еще и 100 лет. И зарождение теоретических основ информатики, и появление первых ЭВМ относятся к середине XX века.
Информатика также многогранна, как и одна из древнейших наук математика. Математика объединяет в себе такие достаточно разнящиеся разделы, как: алгебра, геометрия, теория множеств, интегральное и дифференциальное исчисление и т.д. Структура современной информатики может быть схематично представлена так:
Рис. 1. Основные разделы информатики.
В настоящее время информатика и ее практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Скорость развития средства обработки и передачи информации поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Сведения, касающиеся прикладной области быстро устаревают. На смену одним технологиям приходят другие, более совершенные и более сложные. Специалисты в области информационных технологий должны непрерывно обучаться и повышать свою квалификацию. Однако, иметь теоретические и практические знания в области информатики в наше время стало необходимостью для всех, потому что общество, в котором мы живем, является информационным обществом.
Тип общества определяется по тому, в какой сфере занята большая часть населения. Человеческое общество в своем эволюционном развитии прошло следующие стадии:
Сегодня налицо все признаки информационного общества:
Попробуйте ответить на простой, казалось бы, вопрос: что такое информация? Вы пользуетесь этим термином постоянно: работаете с информацией, ищете информацию, воспринимаете информацию, действуете под управлением информации. Задумайтесь на минуту и попытайтесь ответить: Информация – это…
Что у вас получилось? Самые популярные в такой ситуации ответы: “Это что-то новое”, “Это сообщения, сведения”, “Это знания”, “Это данные”…
Слово “information” действительно переводится с латинского языка, как “осведомление”, “разъяснение”, и такое определение устраивало человечество до сороковых годов двадцатого века.
Этим термином пользовались для определения чисто практических понятий, таких, как некоторая совокупность знаний, сведений о конкретном предмете, явлении, событии. Такая информация носит вполне конкретный характер и во многих случаях не несёт в себе количественной оценки.
Тысячелетиями слово “информация” было рядовым, ничем не выделяющимся среди десятков тысяч других слов. Все это долгое время человек считал себя единственным созданием, способным к передаче, приему и творению информации.
Положение стало меняться с появлением кибернетики – науки об управлении. "Кибернетика" Норберта Винера увидела свет в 1948 году. Она открыла людям глаза на то, что сейчас известно каждому – информационные процессы происходят в любом живом организме, начиная с амебы и вируса. Созданные человеком машины также работаю под управлением информации. Любое сообщество живых существ – муравьев, пчел, рыб, птиц и, конечно, людей не может существовать без потоков информации, циркулирующих в нем.
Датой рождения “Теории информации” также считается 1948 год. Именно тогда в реферативном журнале американской телефонной компании "Белл систем" появилась статья 32-летнего инженера-связиста Клода Шеннона "Математическая теория связи”, в которой он предложил способ измерения количества информации. С этого момента понятие "информация" начинает расширять сферу своего применения.
Вскрытие единства процессов в живом и неживом, широкое внедрение ЭВМ, стремительное нарастание информационного потока в виде газет, журналов, книг, теле- и радиотрансляций придало совершенно другое, новое значение слову “информация”. На современном этапе развития науки признано, что понятие "информация" значительно более ёмкое и, что очень важно, существует и вне нашего восприятия. Другими словами, весь окружающий нас мир, как доступный, так и недоступный нам, всюду имеет информационную структуру.
“Информация” превратилась в необычайно широкое понятие и встала в один ряд с такими философскими категориями, как материя, энергия, пространство и время. Однако единого общепризнанного определения информации не существует до сих пор, более того, это понятие остается одним их самых дискуссионных в современной науке. Все мы имеем представление о том, что такое материя, энергия, пространство, время, информация, мы можем описать их свойства, мы можем их измерять, но мы так и не можем пока дать их четкого научного определения.
Давайте познакомимся с определениями информации, данными выдающимися учеными:
Чтобы быть понятым, этот небольшой обзор определений нуждается в дополнительных пояснениях, и мы постараемся дать их в ходе дальнейшего изложения этого и следующего раздела. Дочитав третий раздел этой книги, вернитесь, и заново перечитайте этот список.
2. Эволюция материи
Согласно современным теориям эволюции, процесс развития Вселенной есть процесс самоорганизации. В ходе самоорганизации кварков появились протоны и нейтроны, при самоорганизации атомов возникло множество молекул, при самоорганизации молекул появилась живая клетка, при самоорганизации клеток – организм, при самоорганизации организмов – популяции и социумы….
Повышение сложности системы, ее прогрессивное развитие связано с увеличением количества информации, накопленного системой, проявляющегося в ее структуре. Так, по данным некоторых исследований, при переходе от атомного уровня к молекулярному количество информации увеличивается в 103 раза. Количество информации, относящейся к организму человека, примерно в 1011 раз больше информации, содержащейся в одноклеточном организме.
Применение информационной модели развития дает возможность прояснить механизм прогресса усложнением, упорядочиванием и повышением степени организации материальных систем.
Рис. 2. Уровни организации материи.
Рис. 3. Время становления уровней организации материи.
3. Теория отражения
Всеобщее свойство материи, обеспечивающее передачу информации на всех стадиях ее организации, называется отражение (reflection) и заключается “в воспроизведении, фиксировании того, что принадлежит отражаемому предмету. "... Логично предположить, что вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения..." (Ленин В. И).
Любое отражение несёт в себе информацию об отражаемом объекте. Способность к отражению зависит от уровня организации материи. Взаимодействиям объектов неорганической природы присущи пассивные формы отражения:
Хотя и у неорганических форм материи мы наблюдаем определенные признаки чувствительности – притяжение и отталкивание частиц, атомная валентность, молекулярная связь, неорганические тела не способны активно использовать результаты взаимодействия как средство самосохранения. Но этот пассивный “зачаточный” вид отражения, носящий форму лишь физического взаимодействия тел, является генетической предпосылкой для возникновения более высоких форм отражения в живой природе и человеческом обществе, когда отражение превращается в информационную модель, в образ и используется в процессах познания и управления.
Активные формы отражения:
Становление человека и человеческого общества в процессе трудовой деятельности и общения с помощью речи обусловило возникновение формы отражения в виде сознания и самосознания. Сознание – высшая форма отражения на современном этапе эволюции материи.
Чем больше внутреннее разнообразие системы, тем больше ее элементов реагируют на внешнее воздействие изменением своих свойств, тем адекватнее отражение системой внешнего мира, а чем больше возможностей отражения, тем система может быстрее совершенствоваться, увеличивая свое разнообразие.
Не масса и не энергия, а развитие у систем способности к адекватному отражению характеризует уровень их организации.
На простом примере для нас это означает следующее: если вы знаете только русский язык, и не знаете, скажем, английского языка, то вы не способны отражать в своем сознании англоязычную речь и письмо, не способны извлекать из нее информацию и ориентироваться при помощи этой информации. Те, кто знают оба этих языка, бесспорно, имеют больше возможностей для ориентации в окружающем мире и для дальнейшего расширения своих знаний.
Таким образом, если, согласно ленинской теории отражения, процесс распространения информации есть процесс отражения, то воспринятая информация есть результат отражения - воспринятый образ. При отражении в материальных структурах этот образ материален, при отражении в идеальном сознании - идеален.
Вот небольшой список однокоренных слов:
Так на этом фоне может буквально пониматься слово «информация».
4. Носители информации, память
На физическом уровне восприятие информации, происходит путем изменения значений чувствительных к источнику информации свойств приёмника информации. Т.е. чтобы приемник мог воспринять информацию от источника он должен на него реагировать.
Стекло не реагирует на изменение магнитного поля, а железо намагничивается; светочувствительные клети сетчатки человеческого глаза не чувствительны к волнам в ультрафиолетовом диапазоне, а глаза большинства насекомых – чувствительны и т.п.
Если приёмник оказался чувствительным к источнику, то он может сохранять (запоминать) вызванное источником изменение значений своих свойств и после окончания воздействия, то есть после устранения причины изменения этих свойств. Это и есть следствие, или след (отпечаток, образ, впечатление).
Способность материальных объектов к запоминанию информации теперь широко используется человечеством. В тех местах, где мы проводим ручкой по бумаге, мы изменяем ее оптические свойства (коэффициент преломления), тот же принцип используется при записи на компакт-диски. Магнитная лента и дискета легко изменяют под направленным воздействием магнитные свойства своих элементов, фотопленка и фотобумага – химические свойства, а память живой материи основана на биохимических процессах.
В обиходном понимании мы называем носителем информации именно то, что специально создано и используется нами как собственная внешняя память, на чем мы можем целенаправленно запечатлеть информационные образы и переместить их в пространстве и времени: дискета, бумага, фотопленка. Т.е. словосочетание “носитель информации” понимается нами сугубо утилитарно. Никому не приходит в голову назвать носителем информации, скажем, автомобиль, хотя информации при его рассмотрении можно получить предостаточно: о марке, цвете, годе выпуска, техническом состоянии, предыдущих авариях и. т.п., просто основная его функция иная.
5. Носители информации вещество и поле
В общем же, а не только в утилитарном смысле, носителями информации могут являться любые объекты и системы материального мира.
Материя проявляет себя нам либо в виде вещества, которое характеризуется массой, либо в виде поля, которое характеризуется энергией. Масса и энергия, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, связаны между собой отношением E=mc2.
Самый “популярный” носитель информации электромагнитные2 волны непосредственно воспринимаемые человеческими органами чувств как свет и тепло.
Рис. 4. Спектр электромагнитных волн.
Конечными источниками информации для наших органов зрения являются исключительно электромагнитные волны.
Вещество способно стабильно хранить информацию, а поля способны быстро и далеко ее переносить. Предельная скорость распространения поля в вакууме равна скорости света (с≈ 3×1010 см/сек). Процесс распространения полей есть волновой (колебательный) процесс.
6. Процесс сообщения
В информационном процессе один и тот же объект (или система) может последовательно выступать в роли приёмника, носителя и источника информации для последующих приемников.
Для того чтобы приёмник информации мог воспринять ее от источника, они должны встретиться в одной точке физического пространства, и провести вместе некоторое время.
Рис. 5. Система сообщений.
Сообщение – многозначное слово.
Сообщение (в пространстве) – совместная, общая часть. Непосредственный контакт (место совмещения, соединения) источника и приёмника информации. Именно при непосредственном контакте происходит изменение значений свойств элементов приёмника информации под воздействием источника. Если сообщение в пространстве не установлено, восприятие информации не возможно.
Воспроизведение информации с целью ее передачи, будет результативно только тогда, когда есть непосредственное сообщение с объектом, способным выступить в роли приемника информации и дальнейшего ее носителя. Это означает, что если нет среды, способной колебаться под воздействием наших голосовых связок, бесполезно воспроизводить эти колебания; если нет никакого освещения, бесполезно подмигивать собеседнику; если собеседник закрыл глаза, то бесполезно подмигивать и при освещении ;-)
Система сообщений (коммуникация, система связи) - последовательная цепь сообщений, обеспечивающая опосредованную передачу информации. При этом установление отдельных сообщений в системе может быть разнесено, как в пространстве, так во времени.
Отсутствие в памяти приёмника реакции на какой-то объект материального мира, не означает того, что этого объекта не существует в материальном мире, а только то, что, либо память приемника не чувствительна к проявлениям этого объекта, либо они не сообщаются в пространстве.
Когда мы изменяем настройку частот радиоприемника, мы перенастраиваем систему сообщений на другой источник. Источником в данном случае является радиоволна. Когда мы слышим шум – это и есть наше восприятие радиоволны, сообщение с которой наших органов слуха в данный момент установлено посредством радиоприемника. Когда мы слышим музыку, мы воспринимаем информационный образ, переданный этой волне предыдущим источником.
В информатике под словом “сообщение” чаще всего понимают получаемое или предназначенное для передачи информационное послание: устное сообщение, письмо, записку, message.
7. Сообщение во времени. Сигнал.
Соединение источника и приемника информации в пространстве имеет некоторую продолжительность во времени. Т.е. существует момент начала сообщения и момент окончания сообщения. Это время, за которое происходит процесс восприятия информации в память ее приемника. Форму процесса сообщения нам удобно описывать в виде сигнала.
Сигнал3
– представление процесса сообщения в виде изменяющихся во времени значений свойств элементов памяти приёмника информации.
Воспринятый сигнал есть отражение реакции приемника на поведение источника в процессе их сообщения.
Одно из самых распространенных определений сигнала – процесс, несущий информацию.
8. Непрерывное и дискретное
В зависимости от того, меняются свойства приёмника информации под воздействием источника непрерывно (плавно) или дискретно (скачкообразно), воспринимаемый им сигнал имеет непрерывную или дискретную форму. Непрерывный сигнал может принимать бесконечное множество значений, а количество значений дискретного сигнала ограниченно.
Абсолютное большинство процессов в природе протекают с нашей точки зрения непрерывно (изменение напряжения, температуры, давления, скорости…). Непрерывно меняющиеся величины называют аналоговыми величинами, а соответствующие им сигналы – аналоговыми. Т.е. аналоговый сигнал означает непрерывный по значению сигнал.
Все модели реальных процессов в наших рассуждениях о них – дискретны. Мы наносим цифровую шкалу на столбик термометра, цифры на циферблат часов и т.д. Поэтому дискретные сигналы называют также цифровыми сигналами. Дискретны и все сигнальные (символьные) системы, созданные человечеством для обмена информацией, т.е. любая из них использует конечное число возможных значений.
Чтобы получить из непрерывного сигнала его дискретное представление необходимо измерять значение сигнала через равные промежутки времени, и соотносить полученный результат измерения с одним из возможных значений, составляющих дискретное множество.
Рис. 6. Представление непрерывного и дискретного сигналов.
9. Знания
Использование информации для ориентации в пространстве, времени и ситуации началось с того момента эволюции материи, когда появилась живая клетка, когда появилась возможность избирательной ответной реакции на внешнее воздействие.
Для обеспечения своей жизнедеятельности и целостности в условиях непрерывно изменяющейся внешней среды живым организмам необходимо было решить задачу адекватного отражения текущего состояния окружающего мира и задачу хранения предыдущего опыта воздействий среды и собственных ответных реакций на эти воздействия с целью выбора адекватной ситуации ответной реакции.
Эволюция живых организмов, основанная на целенаправленном использовании информации, привела к выделению памяти в обособленную внутреннюю систему, опосредованно воспринимающую информацию с помощью специальных приемников – органов чувств, по специальным направленным каналам связи, образующим нервную систему.
На основании анализа взаимосвязей между воспринимаемыми и уже хранящимися в памяти сигналами в процессе мышления, стало возможно ориентироваться в текущей ситуации и принимать обоснованное, а не случайное, решение относительно выбора соответствующей реакции, прогнозировать дальнейшее развитие ситуации, разделять причину и следствие, выделять первоисточник образа в образе его текущего носителя.
Именно к использованию накопленной информации для задач ориентации в различных ситуациях относятся термины: знания, вероятность, неопределенность, цель.
С появлением человека и коммуникации в человеческом обществе с целью сохранения и передачи накопленных знаний и информации появились языковые знаковые системы, специализированные носители информации (внешняя память), каналы связи, вычислительная техника, обобщенные базы данных и базы знаний.
Знания – осознанные сигналы, сохраненные в памяти. Т.е. сигналы, получившие значения (смыслы), вызывающие определенную реакцию.
Уровень конкретных знаний (уровень рефлексов) есть отражение сигнала в поведении (реакции), уровень абстрактных знаний есть отражение сигнала в обобщенном понятии, синтезированном на основе общих черт.
Знания позволяют принимать решения, конкретные знания – проверены практикой, знания абстрактного уровня удостоверены логикой. Появление теоретических, а не только практических знаний сделало эволюционное развитие куда менее драматичным. Для абстрактных знаний характерны структурированность и связанность, они отраженны в сознании человека в виде представлений, понятий, суждений и теорий.
Рис. 7. Представление тезауруса в виде семантической сети.
В качестве синонима системы знаний в информатике используется слово “тезаурус”. Тезаурус (греч. сокровищница) - это совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система.
Тезаурус можно рассматривать в виде совокупности смыслосодержащих элементов и смысловых отношений между ними. Графически он может отображаться в виде семантической сети. Получение новых знаний вносит изменения в структуру тезауруса.
10. Целенаправленная передача информации
Процесс целенаправленной передачи информации в ходе коммуникации - есть воспроизведение и передача осознанных сигналов, при помощи специально выделенных органов или вспомогательных технических устройств - передатчиков.
Каждый раз, выводя от руки букву “А”, мы воспроизводим один и тот же непрерывный сигнал. Хранение в памяти принятых сигналов в их исходной форме позволило воспроизводить эти сигналы и использовать для целенаправленной передачи образов между особями, обладающими сходным устройством органов чувств и сходным жизненным опытом, - только при соблюдении этих условий одни и те же сигналы в системе знаний различных особей воспринимаются приблизительно одинаково и формируют похожие (но не идентичные) образы и реакции. Именно поэтому возможен процесс общения, состоящий в воспроизведении образа одной стороной и восприятии образа другой стороной. Но передать образ непосредственно из одной системы знаний в другую невозможно, можно лишь воспроизвести для передачи сигнал, который ассоциирован с этим образом в нашей системе знаний.
Насколько адекватно этот сигнал будет отражен носителем-посредником, на который мы рассчитываем, например, воздушной средой, зависит от чувствительности носителя к нашему передатчику (например, голосовым связкам). Насколько адекватно образ носителя будет воспринят адресатом, к которому мы обращаемся, зависит, от чувствительности адресата к носителю.
Насколько адекватно нашим представлениям переданные образы совпадут с представлениями адресата, полученным в результате их осознания, зависит от того, с каким значением в его знаниях ассоциирован воспринятый сигнал.
Возможно, что сигнал не ассоциирован ни с одним значением в знаниях адресата, т.е. для него этот сигнал не имеет смысла (например, это слово на незнакомом ему языке, или слово ранее ему не встречавшееся и не включенное в его тезаурус), либо ассоциирован совершенно с другим значением, чем в наших знаниях, и тогда он буден понят иначе и вызовет неадекватную ожидаемой нами реакцию.
11. Данные
Данными называют информацию, когда делают акцент на том, что она поступает в качестве входных параметров некоторого алгоритма обработки. Данные – от слова “дано”, так же как в записи условия задачи мы записываем “дано” и “найти”.
Этот термин часто употребляется, когда речь идет о компьютерных системах. Одни и те же данные, записанные в компьютерной памяти, могут быть отображены в зависимости от выбранной программы обработки или как графическая информация, или как символьная, или как звуковая, или как числовая.
Данные – это любые зарегистрированные сигналы. Слово “информация” чаще используется в более узком смысле, чем просто все, что отражается в материальном объекте в результате воздействия на него другого материального объекта. Предполагается, что получение информации дает получившему ее возможность принимать решения, действовать, осуществлять выбор или пополнить (и/или реструктурировать) свою систему знаний. Если полученные данные не приводят ни к чему из перечисленного, то с субъективной точки зрения считается, что для получателя они информации не несут, хотя и занимают определенный объем его памяти.
Говоря об информации и ее свойствах, обычно имеют в виду один из трех аспектов:
Технический - точность, надежность, скорость передачи сигналов, объем, занимаемый в памяти зарегистрированными сигналами, способы регистрации сигналов. В этом аспекте информация = данные, и никак не учитывается ее полезность для получателя или ее смысловое содержание. Это информация в самом широком общем для всей материи смысле, информация в аспекте восприятия, хранения, передачи.
Прагматический - насколько эффективно информация влияет на поведение получателя. В этом аспекте говорят о полезности и ценности информации. В определенных случаях ценность информации становится отрицательной, а сама информация становится дезинформацией. Это информация в аспекте управления поведением.
Семантический - передача смысла с помощью кодов. Семантической называется информация, активизирующая образы, уже имеющиеся в тезаурусе получателя (узнаваемая) или вносящая изменения в его тезаурус (систему знаний). Это информация в аспекте знаний.
2 В зависимости от длины электромагнитной волны в вакууме, источника излучения и способа возбуждения различают: низкочастотные колебания, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-лучи.
3 Сигнал (от лат. signum - знак)